柔性電子封裝技術(shù)研究進(jìn)展與展望

袁杰

摘 要：柔性電子封裝技術(shù)作為電子制造工藝中的發(fā)展趨勢，其憑借著獨(dú)有的的柔性也即延展性，在多個(gè)戰(zhàn)略領(lǐng)域的應(yīng)用前景都非?？捎^。但是如今柔性電子技術(shù)的可彎曲及可延展特性對(duì)其封裝技術(shù)提出了更高要求。以柔性電子封裝技術(shù)為重點(diǎn)，闡述了柔性電子封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢和研究進(jìn)展，綜述柔性電子制造中的特殊工藝制程，展望了包括以有限元結(jié)構(gòu)分析夾雜對(duì)島-橋結(jié)構(gòu)延展性的影響等封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：電子制造工藝；柔性電子；封裝技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.099

0 引言

如今柔性電子皮膚、柔性電子顯示器等柔性電子技術(shù)正受到市場關(guān)注和青睞。所謂柔性電子封裝技術(shù)主要是由柔性基板、交聯(lián)導(dǎo)電體和電子器件組成。提高柔性器件的可延展性可以在有預(yù)應(yīng)力的柔性基底上設(shè)計(jì)非共面電路布局。但是在實(shí)踐過程中，電子制造工藝中的填充和覆蓋封裝材料、納米級(jí)厚度金屬薄膜的屈服強(qiáng)度都會(huì)影響器件的可延展性。本文重點(diǎn)討論優(yōu)化柔性電子器件結(jié)構(gòu)、提高其延展性，以期對(duì)柔性電子器件的設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 柔性電子封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著科學(xué)技術(shù)和電子封裝行業(yè)競爭日益激烈，電子封裝獲得空前的發(fā)展規(guī)模和前景， 電子封裝的應(yīng)用進(jìn)展也越來越明朗化。過去的電子封裝技術(shù)僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)電子設(shè)備密封的效果。而因?yàn)槠涿芊馐褂玫牟牧蠟榻饘佟⒉ＡЪ疤沾?，較容易受到溫度、酸堿度這些影響因素而被動(dòng)引起一些變化， 不利于電子封裝的進(jìn)行。為了能夠起到保證電子設(shè)備的整體質(zhì)量，新型環(huán)氧樹脂材料應(yīng)用的電子封裝應(yīng)運(yùn)而生。隨著力學(xué)、材料學(xué)等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電子封裝材料的可延展性提出了新的要求和挑戰(zhàn)，所謂可延展性是指使得電子封裝器件無論面臨著拉、壓、彎、扭轉(zhuǎn)等一系列可能出現(xiàn)的變形下仍然能維持自身良好性能，大大提高電子器件的易攜帶性和較高的環(huán)境適應(yīng)性。

柔性電子封裝技術(shù)在國內(nèi)的市場地位仍處于起步階段，還有很大的發(fā)展空間。其一般設(shè)計(jì)原理和運(yùn)行機(jī)理是將具備柔性或可延展性的塑料或者薄金屬這類基板上制作相應(yīng)的電子器件。具體來說，可延展柔性電子技術(shù)并非用以取代目前的硅芯片技術(shù)，而是對(duì)硅基體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，是基于軟質(zhì)柔性基板上集成微結(jié)構(gòu)的原理，以避免傳統(tǒng)的非柔性硅基芯片材料所出現(xiàn)的厚、脆的缺點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)可延展性的同時(shí)還同時(shí)具有輕薄、抗震的效果，經(jīng)濟(jì)成本低，操作簡便易行。

展望未來柔性電子封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢，必將堅(jiān)持以用戶體驗(yàn)為設(shè)計(jì)起點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更加人性化的目的，例如柔性傳感器、柔性電子眼、可穿戴電子衣、柔性電子紙、柔性電路板、人造肌肉、柔性心臟監(jiān)測衣、柔性鍵盤和柔性電子顯示器等。與傳統(tǒng)電子器件相比，其獨(dú)特的柔性和延展性使可延展柔性電子器件在通信和信息、生物醫(yī)藥、機(jī)械制造、航空航天和國防安全等領(lǐng)域具有非常廣泛和良好的應(yīng)用前景。

2 柔性電子封裝技術(shù)的研究進(jìn)展

（1）硬薄膜屈曲結(jié)構(gòu)。硬薄膜屈曲結(jié)構(gòu)是指借助轉(zhuǎn)印技術(shù)使得硅等硬薄膜條在彈性軟基底上形成周期性的正弦曲線來獲得所應(yīng)具備的柔性。美國的兩位教授在此基礎(chǔ)上作出了新的變革，他們建議采用基于軟印刷術(shù)的轉(zhuǎn)印方法來完成柔性電子器件的封裝，并經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)證明了這項(xiàng)技術(shù)在實(shí)踐中能夠在柔性基底上產(chǎn)生硅帶屈曲波，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各類電子集成材料都能夠?qū)崿F(xiàn)集成到曲面上的效果。并且，這一效果在后期變形的過程中能夠通過改變硅帶屈曲波的波長和幅值的方式防止拉伸割斷，產(chǎn)生較大的壓縮性能，在內(nèi)在機(jī)理上，其實(shí)是通過實(shí)現(xiàn)與基件平面方向縱向的運(yùn)動(dòng)過程與變形維度將內(nèi)部本身的力量予以消解。在這一設(shè)計(jì)形式下的硅薄膜材料便能夠符合五分之一的拉壓應(yīng)變。

（2）島橋結(jié)構(gòu)。柔性電子封裝技術(shù)中的島橋結(jié)構(gòu)，其基本原理是將能夠?qū)崿F(xiàn)彎曲的多根導(dǎo)線串聯(lián)起多個(gè)微電子結(jié)構(gòu)，最終形成了島橋結(jié)構(gòu)，所以是非常生動(dòng)形象的。這些導(dǎo)線的可彎曲性使得微電子結(jié)構(gòu)所連接起來而形成島橋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)電子器件的可延展性，提升柔性的程度。但是這一方式雖然在一定程度上取得了一些成效，但是島橋結(jié)構(gòu)而形成的集成密度較其他結(jié)構(gòu)相對(duì)要小，難以應(yīng)用于覆蓋率相對(duì)高的應(yīng)用。

（3）開放網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。開放網(wǎng)格結(jié)構(gòu)就是將硅基半導(dǎo)體薄膜這一電子器件材料改進(jìn)為開放網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)柔性的提升和可延展性的實(shí)現(xiàn)，最根本的是薄膜材料本身在變形時(shí)的面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，這就好比人們使用剪刀時(shí)候的自身轉(zhuǎn)動(dòng)過程。所以說，開放式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的形狀上有其特殊性，也需要改進(jìn)設(shè)計(jì)為類似于剪刀形狀的細(xì)長外形，因此不一定包含柔性基底，因此對(duì)于很多結(jié)構(gòu)并不適用。

3 對(duì)柔性電子封裝技術(shù)的展望

（1）局部多層封裝結(jié)構(gòu)。由于目前的柔性電子封裝技術(shù)中常見的非共面薄膜-基底結(jié)構(gòu)在完成封裝后會(huì)出現(xiàn)延展性降低，難以繼續(xù)承受較強(qiáng)負(fù)荷，為此提供一種新思維，解決上述問題。即局部多層封裝，它通過將該薄膜基底的上位部分的電子封裝區(qū)域軟化，同時(shí)對(duì)下位部分再進(jìn)行適度硬化，提高整體柔性。但是值得在今后繼續(xù)開展實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證這一結(jié)構(gòu)在應(yīng)用領(lǐng)域的有效性，這是由于局部多層封裝結(jié)構(gòu)還有一些技術(shù)漏洞，若下位封裝彈性模量或厚度過大，而在受壓拉伸的過程中薄膜反而會(huì)出現(xiàn)高階屈曲繼而催生更大的彎曲應(yīng)力，適得其反。

（2）夾雜對(duì)島-橋結(jié)構(gòu)延展性的影響。通過建立有限元模型的方式，將夾雜區(qū)域看作是圓形的橋下區(qū)域，并且從夾雜剛度、位置和封裝方式等維度進(jìn)行立體化的分析，其結(jié)果顯示為以下兩點(diǎn)，一是在增大夾雜剛度時(shí)島橋結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力相應(yīng)增強(qiáng)，延展性降低；二是在夾雜位置上若集成掩埋深度提高，那么封裝結(jié)構(gòu)頂部的整體應(yīng)變水平就越大，島橋的延展性也會(huì)隨之降低。除此之外今后還應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步探討空洞現(xiàn)象對(duì)于島-橋結(jié)構(gòu)的柔性度的影響。

（3）粘彈性參數(shù)的變化。柔性電子封裝技術(shù)中電子器件基底部分與所使用的封裝材料其粘彈性特質(zhì)，其在多種拉伸的速率下，粘彈性參數(shù)所反映的力學(xué)和結(jié)構(gòu)延展性變化程度不同：一定的總拉伸量下加載速率越大、一定應(yīng)變速率下基底與封裝材料的瞬時(shí)模量越高，薄膜的應(yīng)力、應(yīng)變水平越高，薄膜下降高度越小，結(jié)構(gòu)的極限延展量越小。并引入了一個(gè)表征延展性劣化的無量綱參數(shù)，給出了它隨拉伸應(yīng)變率變化的關(guān)系曲線；封裝材料與基底材料在一定應(yīng)變速率范圍內(nèi)的瞬時(shí)模量峰值之比越高，薄膜的最大主應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)得越多而薄膜面下降的位移越?。凰沙陔A段橋頂應(yīng)力值、高度均隨松弛時(shí)間而“衰減”至與靜態(tài)拉伸時(shí)狀態(tài)。

4 結(jié)語

綜上所述，柔性電子封裝技術(shù)是未來發(fā)展的趨勢，轉(zhuǎn)印技術(shù)前景

巨大，但是在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀上還存在一些問題和需要革新的地方，當(dāng)然也存在一些不足。但是，實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中多項(xiàng)結(jié)構(gòu)形式都存在著

弊端，需要進(jìn)一步在理論與技術(shù)上進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)。

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